Электронные приборы

Диод изготавливается так, чтобы было хорошо согласовано входное сопротивление диода с антенной, т.к. в случае неправильного согласования возможно значительное отражение мощности принятого сигнала.

Z _вх = стандартному сопротивлению волнового тракта (50; 75 Ом).

Детекторные диоды характеризуются специальными параметрами:

Чувствительность по току

Добротность

t - температура шумов

R₀ - сопротивление диода в рабочей точке

R _ш - эквивалентное сопротивление шумов ~ 1 кОм.

Переключающие диоды бывают 2 типов:

· Со специальным p-n-переходом

· P-i-N - диоды.

Эти диоды включаются непосредственно в линию передачи СВЧ - сигнала. Работа этих двух диодов основана на изменении комплексного сопротивления при переключении полярности внешнего управляющего постоянного напряжения.

При резонансе сигнал проходит через цепь.

Параметры данного диода подбираются таким образом, чтобы R _д при обратном смещении был много больше X _{C бар} . При прямом напряжении R_д << R _б, C _бар >> C _п - при обратном смещении.

При обратном смещении в диоде «образуется» последовательный контур LC_бар; параметры таковы, что при рабочей частоте наступает резонанс этого контура.

Прямое смещение на диод.

Дифференциальное сопротивление очень мало, барьерная ёмкость отсутствует.

На рабочей частоте наблюдается резонанс параллельного контура LC_п, следовательно, он обладает большим сопротивлением и сигнал через диод не проходит.

P-i-n диоды

При подаче прямого напряжения происходит двухсторонняя инжекция носителей в i-область. В результате концентрация носителей в ней резко увеличивается, сопротивление уменьшается. И сигнал СВЧ проходит через диод.

При обратном включении i-область обеднена носителями тока, сопротивление её увеличивается, и сигнал не проходит. С целью уменьшения вероятности рекомбинации ширину i-области делают значительно меньше, чем диффузионная длина носителей заряда.

Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны используются для стабилизации напряжения и фиксации его уровня. Рабочим участком схемы является обратная ветвь ВАХ, соответствующая лавинному пробою.

R_д - дифференциальное сопротивление стабилизации.

I_ст.min - ток начала стабилизации

I_max - максимально допустимый ток стабилизации, его превышение приводит к тепловому пробою

U_ст - изменение напряжения в режиме стабилизации

U_ст - напряжение стабилизации при I_ст.min

U_обр.max - обратное напряжение, превышение которого приводит к тепловому пробою

P_max - максимально допустимая мощность, выделяемая в p-n-переходе, при котором тепло успевает рассеяться в окружающую среду

Температурный коэффициент напряжения

Используется для стабилизации напряжения от 2 до 200 В. При рабочем напряжении от 0,3 до 2 В применяются стабисторы (включение прямое, т.к. у них специальная ВАХ).

Применение стабилитрона.

При повышении входного напряжения ток через резистор I₀ и через нагрузку должны возрастать. Однако в режиме стабилизации увеличение тока через стабилитрон не приводит к возрастанию напряжения. Увеличение же тока через R₀ на I приводит к возрастанию падения напряжения IR₀~ U_вх. Т.е. R₀ гасит увеличение входного напряжения U_вх. Аналогично будет работать схема и при уменьшении входного напряжения.

Варикапы

Основой работы варикапов является свойство наличия в p-n-переходе барьерной ёмкости при обратном смещении. Эта ёмкость зависит от величины обратного напряжения, поэтому характеристикой варикапов является вольт - фарадная характеристика ВФХ.

C_ном - номинальное значение при указанном U_обр

C_max - максимальная ёмкость (сотни - тысячи пФ).

С_min - минимальная ёмкость при максимальном U_обр.

Коэффициент перекрытия

Температурный коэффициент ёмкости

Показывает, насколько уменьшится ёмкость при изменении температуры на 1 К.

U_{обр max}, P_{max рассеив}, добротность (различна на НЧ и ВЧ).

Недостатки варикапов: нелинейные характеристики и небольшие величины ёмкости, сильная зависимость ёмкости от температуры.

Применяются в резонансных контурах для настройки и расстройки.

Добротность варикапов определяется соотношением величины емкостного сопротивления, параллельно ему включённого сопротивления R_пер и последовательно ему включённого R_Б.

НЧ:

ВЧ:

Постоянная времени диода:

r_S - все активные потери

Критическая частота:

m - коэффициент модуляции ёмкости диода

Предельная частота:

Транзисторы

Транзисторы - это приборы, работа которых основана на свойствах полупроводников; предназначены для усиления мощности подводимых сигналов за счет преобразования энергии тока, поступающего от источника питания и переменно изменяющегося по закону входного сигнала.

Все транзисторы можно разделить:

-биполярные транзисторы (БТ)

токи создаются 2 видами носителей зарядов

-униполярные / полевые транзисторы (ПТ)

токи в них образуются одним видом зарядов

Биполярные транзисторы

Имеют 3 электрода:

- эмиттер

- база

- коллектор

База самая высокоомная часть транзистора, самая большая степень легированности у эмиттера, а у коллектора меньше.

Транзистор представляет собой трехслойную структуру, в которой крайние электроды образованны полупроводниками с электропроводностью отличной от электропроводности среднего электрода.

Различают:

· P-n-p

· N-p-n

По методу изготовления:

· сплавные

· микросплавные

· мезоструктуры

· поверхностнобарьерные

· планарные

По характеру контакта:

· точечные

· плоскостные

По диапазону рабочей частоты:

· малой

· средней

· высокой

· СВЧ

По основным процессам в базе:

· дрейфовые

· бездрейфовые

По мощности:

· малой

· средней

· мощные

Принцип действия биполярных транзисторов

Одной из возможных схем подключения внешних источников напряжения к транзистору является схема с ОБ, когда база заземлена, и напряжение на коллекторе и эмиттере отсчитывается относительно земли. К эмиттеру относительно базы подключается Uэб в прямом направлении, а к коллектору Uкб в обратном направлении. Значит, эмиттер открыт, а коллектор закрыт (активный режим работы транзистора).

При прямом смещении эмиттерного n-p перехода снижается потенциальный барьер в этом переходе и начинается диффузионное движение дырок через ЗС в базу, а электроны движутся из базы в эмиттер. Но концентрация дырок в эмиттере выше концентрации электронов в базе. Вследствие инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация в базе растет. Образовавшийся вблизи ЗС эмиттерного перехода в базе объемный положительный заряд компенсируются за счет электронов приходящих в базу от источника Uэб.

Электроны устремляются к эмиттерному переходу и создают объемный отрицательный заряд, компенсирующий заряд, образованный дырками. Вблизи эмиттерного перехода имеется область повышенной концентрации электронов и дырок. Вследствие разности концентраций возникает диффузионное движение дырок и электронов к коллектору. В транзисторах ширина базы выбирается такой, чтобы при существенной концентрации электронов и дырок, и скорости дырок, время их жизни превышало время пребывания в базе.

Незначительная часть дырок в базе рекомбинируется, но 99% не успевает рекомбинироваться. Вблизи коллекторного перехода они попадают в его поле, которое является ускорительным для дырок и втягивает их в коллектор. Такой процесс называется экстракцией дырок. Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших в коллектор под влиянием _кб, устремляются к базовому выводу, а следовательно замыкается цепь тока эмиттера и коллектора.

Ток, текущий через эмиттерный переход, будет являться управляющим током. От его величины зависит значение коллекторного тока (управляемого). Ток базы представляется разностью управляющего тока и управляемого, так как основные носители базы при компенсации движения дырок через эмиттерный и коллекторный переходы, движутся в разных направлениях в выводе базы.

Сопротивление эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, небольшое. Эмиттерный и коллекторные токи растут по экспоненте Uэб. Изменение напряжения Uкб выше определенного предела (0,5В) не должно вызывать изменений тока Iк, т.к. Uобр=0,5В. Все неосновные носители зарядов участвуют в создании обратного тока коллекторного p-n перехода.

Если в цепь эмиттер-база помимо источника постоянного напряжения включить источник переменного напряжения u=Um sin wt, то ток эмиттера и ток коллектора будет меняться в такт с этим напряжением.

Если в цепь коллектора включить Rн ,то на нем можно выделить усиление напряжения сигнала с частотой, но амплитудой >> амплитуды сигнала.

Изменение напряжения коллектора будет вызывать изменения на коллекторном переходе, но влияние этого изменения на очень мало.

Режимы работы.

--Активный

эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном

--Отсечки

коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении

--Насыщения

оба смещены в прямом направлении (в базу инжектируются носители со стороны Э,К)

--Инверсный

эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный в прямом

Токи в транзисторе

При рассмотрении принципа работа транзистора установили, что в активном режиме дырки, инжектированные из эмиттера, движутся в базе под действием градиента концентраций и втягиваются полем коллекторного перехода, образуя ток через прибор.

Цепь эмиттерного тока замыкается через выводы базы и эмиттера, а цепь коллекторного тока замыкается через выводы базы и коллектора. Вследствие рекомбинации носителей в базе и других причин: Iк<Iэ.

На основе закона Кирхгофа:

Пусть =Iк/Iэ, где - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Ток через выводы базы мал. Во многих случаях применимо:Iк Iэ

Рассмотрим составляющие токов Iэ,Iк для коллекторного и эмиттерного переходов отдельно

Каждый из этих переходов представляет собой полупроводниковый переход. Запишем уравнение, которое описывает ВАХ перехода:

, - прямые токи

,-обратные токи

В теории транзисторов в качестве обратных токов эмиттерного и коллекторного переходов используют: , измеренные в условиях холостого хода, когда =0 и =0

Эти токи меньше соответственно Iкn, Iэn и связаны:



инв.- коэффициент передачи тока в случае инверсного включения транзистора (когда коллекторный переход открыт, а эмиттерный переход закрыт)

Схемы включения биполярного транзистора

Различают три схемы включения БТ:

· с общей базой (ОБ)

· с общим эмиттером (ОЭ)

· с общим коллектором (ОК)

Общим называется электрод, если он включен одновременно во входной и в выходной контур, т.е. к нему одновременно подключены и источник сигнала, и нагрузка.

Управление токами в БТ можно осуществлять как постоянным, так и переменным токами. С помощью постоянного источника задается рабочий режим транзистора и затем на входные электроды подаются переменные сигналы, которые усиливаются по мощности с помощью транзисторных схем и выводятся на нагрузку.

С общей базой

В этой схеме напряжение на эмиттерном и коллекторном выводах отсчитывается относительно базы, потенциал которой равен 0.

Входной ток-

Входное напряжение-

Выходной ток-

Выходное напряжение-

С общим эмиттером

В этой схеме эмиттер заземлен, и напряжение рассчитывается относительно потенциала.

Входные величины:,

Выходные величины: ,

С общим коллектором

Отсчет напряжения осуществляется от нулевого потенциала вывода коллектора.

Входные величины: ,

Выходные величины: ,

C - конденсатор с большой емкостью и очень малым сопротивлением по переменному току.

Статические характеристики БТ

Используется четыре семейства характеристик:

1. Зависимость

2. Характеристики обратной связи по напряжению (обратного действия)

3. Семейство характеристик передачи тока (характеристики прямой передачи)



4. Выходные характеристики

Статические характеристики в схеме с общей базой

1. Зависимость при представляет собой ВАХ диода смещенного в прямом направлении. При увеличении начальный участок несколько спрямляется, но в транзисторе база очень узкая. Объемное сопротивление базы меньше, чем у диодов и падение напряжения становится заметным только при больших токах .

При подаче входная характеристика смещается в сторону меньших значений . В результате резкого уменьшения ширины базы градиент неосновных носителей в базе увеличивается и при неизменном напряжении ток эмиттера несколько увеличивается.

При даже если , поскольку в базе существуют некоторый градиент концентраций неосновных носителей.

2. Зависимость

Ряд почти прямых параллельных линий, идущих в область напряжения почти параллельно оси абсцисс. Увеличение тока Э вызывает пропорциональный рост . При характеристика представляет собой ВАХ диода, смещенного в обратном направлении, при этом равна . Незначительный наклон всех характеристик по отношению к оси абсцисс объясняется уменьшением ширины Б при увеличении.

При значительном увеличении может развиться лавинный пробой, переходящий затем в тепловой. При ток резко уменьшается, так как коллекторный переход открывается, транзистор начинает работать в режиме насыщения и поток дырок из Б в К компенсируется встречным диффузионным потоком дырок из К в Б.

Характеристики представляют собой прямые линии с углом наклона к оси абсцисс меньше 45 градусов, т.к.. При характеристика несколько отклонена к биссектрисе угла, т.е. к 45 градусам. Причина -уменьшение ширины Б и следовательно при =const несколько увеличивается. Характеристики имеют вид прямых, значит не зависит от .

Эти характеристики отображают сравнения и на величину тока . Из этих характеристик видно, что оказывает незначительное влияние на этот ток. Влияние осуществляется только за счет изменения ширины Б и отображается незначительным наклоном характеристики к оси абсцисс, т.к. при увеличении модуля и при напряжения уменьшается. оказывает значительное влияние на ток, поскольку оно изменяет величину потенциального барьера в эмиттерном переходе. Увеличение расстояния между линиями при одинаковом возрастании происходит в соответствии с законом роста от (по экспоненте).

Статические характеристики в схеме с общим эмиттером.

1. ;

Эти характеристики сходны с входными характеристиками в схеме с общей базой. Но ток << и его приращение на единицу значительно меньше, поэтому масштаб по оси токов выбирают много крупнее, чем масштаб в схеме с общей базой. При =0 =0, а =

С увеличением при ток уменьшается, т.к. уменьшается ширина базы, а значит, уменьшается вероятность рекомбинации (дырок) неосновных носителей в базе.

3. выходные характеристики ;

Выходные характеристики отличаются от характеристик в схеме с общей базой начальным участком при малых . Из семейства характеристик и схемы включения БТ с ОЭ видно, что на Б и К подается отрицательное относительно Э напряжение. Чтобы коллекторный переход был закрыт (активный режим) необходимо чтобы потенциал коллектора был отрицательнее потенциала базы >. Активному режиму будет соответствовать та часть выходной характеристики, которая находится в области, где выполняется это неравенство.

При < коллекторный переход открыт, транзистор в режиме насыщения и из коллектора идет диффузионный поток дырок, который компенсирует поток дырок, идущий из эмиттера в коллектор через базу.

Ток быстро падает при уменьшении . В активном режиме в зависимости имеется больший наклон к оси абсцисс, чем в схеме с ОБ. Это объясняется тем, что для поддержания требуется большее изменение , чем для сохранения в схеме с ОБ. В данной схеме при =0 возникает ток , который больше тока . Объясняется это тем, что через коллекторный переход при протекает не только тепловой ток К, но и электронная составляющая тока Э. Ток коллектора равен только при отрицательном .

Неравное расстояние между соседними кривыми при равном приращении объясняется увеличением вероятности рекомбинации неосновных носителей в Б с возрастанием уровня инжекции из Э.

При больших отрицательных в коллекторном переходе развивается пробой, причем допустимое значение в 2-3 раза меньше допустимого . В случае высокой удельной проводимости Б возникает лавинный пробой, но если низкое значение удельной проводимости возникает прокол(области ЗС эмиттерного и коллекторного переходов перекрывается, ток коллектора увеличивается)

4. Характеристики передачи тока ;

Характеристики передачи тока в схеме с ОЭ составляют с осью абсцисс значительно меньший угол, т.к. масштаб по оси значительно больше, чем с ОБ (). Отклонение характеристики от прямолинейного закона при увеличении объясняется уменьшении времени жизни неосновных носителей при росте уровня инжекции. Смещение характеристик в зависимости от напряжения и это является следствием уменьшения ширины базы и увеличения

4. Характеристики обратной связи ;

Эти характеристики отличаются от аналогичной схемы углом наклона из-за уменьшения при увеличении за счет уменьшения ширины базы в отличии от характерного роста при возрастании в схеме с общей базой.

Статические характеристики в схеме с общим коллектором

1

На семействе этих характеристик имеется небольшой прямолинейный участок при малых токах базы. При данной схеме включения и на эмиттер и на базу подаются положительные относительно коллектора напряжения. Эмиттерный переход открыт, если <. В транзисторе появляется ток , который возрастает с уменьшением напряжения , т.е. с увеличением прямого смещения на Э переходе.



Выходные характеристики аналогичны выходным характеристикам с ОЭ, т.к. выходные токи примерно равны, а аргументами и параметрами служат одни и те же величины.

По той же причине, что и раньше эти характеристики соответствуют схеме с общим эмиттером.

Изменение напряжения на базе или на эмиттере одинаково влияет на величину смещения эмиттерного перехода, т.е. на ток и на ток .

Транзистор как ЧП

Транзистор БТ можно представить в виде ЧП, характеризуемого входным и выходным токами и напряжением, т.к. он всегда включен с одним общим электродом. Токи и напряжение связаны между собой нелинейными функциональными зависимостями. Для этих зависимостей любые 2 из 4 величин могут быть выбраны в качестве аргументов. На основании этого можно составить систему уравнений:

;- независимые величины

*

**

***

Если ЧП линейный, то эти соотношения будут линейными, но транзистор - элемент нелинейный. Но если для нелинейного ЧП рассматривать малые амплитуды напряжений и токов или их малые приращения, то в некоторых пределах изменения этих величин участок нелинейной зависимости можно считать линейным. Такие параметры называются малосигнальными

Системы параметров

1 система у-параметров

Для БТ с учетом условия использования малых амплитуд можно использовать линейные зависимости. В качестве независимых переменных выбирают и :

*См

2 система z -параметров

*Ом

3 система h-параметров

и являются безразмерными коэффициентами, имеет размерность сопротивления умноженного на ток, а -проводимости.

Физический смысл коэффициентов

Физический смысл коэффициентов в системе h-параметров можно уяснить, поочерёдно полагая в этих уравнениях

;

;

Величина, обратная коэффициенту передачи по напряжению

;

;

Система уравнений с h-параметром содержит в качестве коэффициентов наиболее важные величины, характеризующие транзистор в схеме как прибор, управляющих током.

Режимы, при которых можно осуществить измерение параметров практически легко осуществить. В этой системе помимо параметров, характеризующих входное и выходное сопротивление, есть коэффициент передачи по току и напряжению. Вышеперечисленные достоинства системы h-параметров предопределяют её широкое использование.

Связь между системами параметров

Параметры транзистора

1. параметры по постоянному току

2. параметры (движения) в режиме малого сигнала

3. параметры большого сигнала

1)параметры по постоянному току - это величины неуправляемых токов в транзисторе, т.е. токов через эмиттерный и коллекторный переходы, которые смещены в обратном направлении

Эти параметры определяют температуру нестабильных транзисторов и их учитывают при всех расчетах схем на транзисторах.

а) обратный ток , через переход коллектор- база, при некотором заданном напряжении на этом переходе и в режиме холостого хода со стороны эмиттера.

б) - это обратный ток эмиттерного перехода при некотором заданном напряжении на этом переходе и в режиме холостого хода со стороны эмиттера.

в) начальный ток () коллектора при заданном напряжении на коллекторе и в режиме короткого замыкания в цепи эмиттер - база.

г) начальный ток в цепи эмиттера - это ток при инверсном включении транзистора и в режиме короткого замыкания в цепи коллектор - база.

д) ток запертого транзистора

е) ток коллектора при заданном напряжении на эмиттере и коллекторе; и обратно смещенном эмиттерном переходе параметры по постоянному току используются при расчете и конструировании усилительной схемы или устройств, работающих при низких частотах

Малый сигнал - это такое (синусоидальное) напряжение, величина амплитуды которого значительно меньше постоянного напряжения смещения на электродах транзистора

Параметры БТ в схеме с ОБ

Входные параметры:

· =

· =



В активном режиме относительно малая величина, - большая величина (в схеме с общей базой) не велико.

Выходные параметры:

· =

· =

при = const

Выходная проводимость очень мала 2*…-2*См будет велико.

С физической точки зрения большую величину можно объяснить тем, что это сопротивление обратного смещения p-n перехода

· коэффициент обратной связи по напряжению

при = const

Этот параметр определяется сравнением воздействия входного и выходного напряжения на входной ток, обычно его величина

· коэффициент усиления по току

 при (низок)

· коэффициент усиления по напряжению

(высок)

· коэффициент усиления по мощности

Параметры БТ в схеме ОЭ

Входные параметры:

· =

· =

= const

Физический смысл эмиттера такой же как ОБ, но его величина гораздо больше т.к. в знаменателе стоит , которая значительно больше . Эта величина равна 100 кОм на начальном участке, и при =1мА равна 1кОм

Выходные параметры:

· =

· =

Величина вследствие большой зависимости тока К от примерно в 10 раз больше в 10 раз меньше

Коэффициент обратной связи по напряжению

= const

по смыслу не отличается

Коэффициент усиления по току

,

это важнейший параметр, определяющие усилительные свойства в схеме с ОЭ, зависит от тока базы, и эта зависимость может быть существенной.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Данная схема обладает максимальным усилением коэффициент по мощности

Параметры БТ в схеме с ОК

Входные параметры:

· =

· =

= const

Выходные параметры:

· =

· =

= const

Величина <, т.к. >; может быть сотни Ом

Коэффициент обратной связи по напряжению

Эта величина в данной схеме будет равна 1

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Режим большого сигнала

-это режим работы транзистора при воздействии на него импульсного напряжения. При этом амплитуда импульсов настолько велика, что БТ при отсутствии импульса работает в режиме отсечки, во время нарастания напряжения на входе переходит в активный режим, а затем в режим насыщения.

Параметры

· интегральный коэффициент усиления по току

· статическая крутизна характеристики прямой передачи

(в схеме с ОБ) (в схеме с ОЭ)

· Напряжение между К и Э в режиме насыщения

· Напряжение между Б и Э в режиме насыщения

· Время рассасывания -это интервал времени в течение которого после подачи запирающих импульсов напряжение на К при включении по схеме с ОБ возрастает до величины 0.1

Особенности транзисторов на ВЧ при малых сигналах

ДО сих пор мы рассматривали работу транзистора в статическом режиме при изменении тока и напряжения. При этом мы не рассматривали переходные процессы, которые происходят при изменении той или иной величины. Наиболее наглядной инерционность проявляется при рассмотрении движений носителей в базе, время которогозависит от ширины базы и коэффициента диффузии.

Инерционность процесса сказывается на параметрах транзистора в случае воздействия напряжения ВЧ, период которых меньше , либо при работе в режиме, когда время нарастаний и спада напряжения будет очень мало.

Сильное влияние при работе на ВЧ будет оказывать наличие емкостей p-n переходов, т.к. сопротивление p-n в этом случае с ростом частоты будет уменьшаться.

Эквивалентная схема транзистора

- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода включенного в прямом направлении

- емкость эмиттерного перехода

-сопротивление области базы, базовому току (100Ом-1кОм)

-сопротивление коллекторного p-n перехода, включенного в обратном направлении (100кОм)

-емкость коллектора (Барьерная емкость)

- генератор тока, показывающий, что весь ток со входа будет переходить на выход

>на порядок

уменьшается быстрее, чем при повышении частоты.

Рассмотрим, какая из емкостей оказывает более сильное влияние на работу транзистора на ВЧ.

Ёмкость C_э, имеющая величину на порядок больше C_к, шунтирует очень маленькое сопротивление эмиттерного перехода. Частота w, на которой сопротивление C_э будет меньше R_э должна быть очень высокой. С_к шунтирует большое сопротивление (до МОм) обратно смещённого коллекторного перехода. В связи с этим частота, на которой будет проявляться шунтирование R_к, т.е. сопротивление C_к меньше R_к, более низкая, чем в первом случае. Поэтому при анализе работы транзистора на ВЧ учитывается влияние только С _к.

На НЧ практически весь ток будет протекать через нагрузку, т.к. R_к велико и X_{С к} тоже велико.

На ВЧ X_С мало и часть тока будет перераспределяться с цепи, состоящей из R_н + R_Б, в цепь, состоящую из С _к. Ток в нагрузке уменьшается, уменьшается коэффициент усиления по току и напряжению, а следовательно, и по мощности.

Коэффициент передачи тока в схеме с общей базой ВЧ и при обратном импульсном сигнале

Рассмотрим в начале процесс восстановления тока и при включении напряжения , предположив, что увеличивается скачком, и т.к. процесс в эмиттерном переходе практически безинерционны и ток эмиттера увеличивается скачком.

Наличие интервала времени в течение которого происходят нарастания объясняется тем, что дырки диффундирующие в базу имеют свои тепловые скорости и в начале только часть дырок подходят к коллекторному переходу, а затем их количество увеличивается и становится постоянным в течение действия определенного на входе,

В это время будет изменяться коэффициент по току: где - коэффициент передачи по току на низкой частоте

Инерционность движение дырок в базе сказывается и в случае работы транзистора в режиме усиления синусоидального сигнала ВЧ. Если время движения дырок от эмиттерного перехода к коллекторному в p-n-p транзисторе сравнимо с периодом усиления сигнала, то закон изменения концентрации дырок в Б инжектированных Э не будет убывать от Э к К.

Если в какой-то момент времени амплитуда переменного сигнала будет увеличивать постоянное напряжение задающее прямое смещение на эмиттерном переходе , то поток дырок увеличивается ,т.к. высота барьера уменьшается.

Пусть в течении полупериода дырки дойдут до середины базы, полярность синусоидального сигнала изменится, величина прямого смещения уменьшится, поток инжектированных из Э дырок уменьшится.

В следствии этого в базе на ряду с диффузионным движением дырок по направлению к коллекторному переходу возникает диффузионное движение электронов, это приведет к уменьшению и к уменьшению коэффициента . Инерционность процессов в базе приводит к фазовому сдвигу между токами и становится комплексной величиной.

Предельная частота

- это такая частота , на которой модуль коэффициента передачи по току уменьшается в раз или 3дБ по сравнению на низкой частоте.

Это из рассмотренного ранее видно, что частотные и импульсные свойства транзистора могут быть улучшены за счет уменьшения ширины базы и увеличения .

,

Коэффициент передачи в схеме с помощью схеме с общим эмиттером более существенна зависит от частоты чем . Причина заключается в более большом различии фазовых сдвигов между входными и выходными токами.

Угол более сильно зависит от частоты.

,

- это частота при которой величина уменьшается в раз.

Величина <<

Постоянная времени установления тока в коллекторной цепи больше

в схеме с ОЭ не зависит от ширины Б. И для её увеличения необходимо использовать материалы с высокой подвижностью носителей.

Для схемы с ОК зависимость коэффициента передачи по току приблизительно такая же.

Максимальная частота генерации.

- это частота на которой транзистор еще может служить усилителем и генератором уменьшится до единицы

- коэффициент

- та часть объемного сопротивления базы, через которую протекает ток заряда емкости

- постоянная времени цепи обратной связи

Учитывая, что можно получить зависимость частоты от физических параметров:

увеличивается при уменьшении ширины базы, , и увеличении .

Фактор качества транзистора:

Полевые транзисторы

-это отдельный класс электронных приборов, которые имеют в основе своей работы определенные физические эффекты отличные от эффектов происходящих в БТ транзисторах. Характерной особенностью является ток , создаваемый носителями одного заряда: дырки или электроны.

Можно разделить:

· Транзисторы, управляемые с помощью p-n перехода или барьера Шоттки.

· Транзисторы с изолированным затвором:

-- МОП - транзисторы

-- МДП - транзисторы

Транзисторы с p-n переходом.

и - исток (эмиттер)

з - затвор (база)

с - сток (коллектор)

1 - область истока

2 - область стока

3 - область затвора

4 - диффузионный (эпитаксиальный) верхний слой, в виде кармана

5 - подложка

6 - металлический контакт, нанесенный на тыльную часть подложки

Транзисторы, управляемые с помощью p-n перехода или барьера Шоттки

В подложке создается диффузией либо эпитаксией специальная легированная область, называемая карман. Затем в этой области последующей операцией диффундирования образуют более высоколегированную область того же типа под истоком и стоком и более высоколегированную область противоположного типа, чем карман, под затвором.

Между истоком и стоком образуется канал проводимости. Он имеет определенную толщину1,3 мкм и длину 3-10 мкм. Тип проводимости канала определяется типом проводимости кармана.

На всех электродах В ПТ, управляемых p-n переходом, подложка обычно соединена с затвором и изменение проводимости канала между истоком и стоком осуществляется под действием напряжения, приложенного к p-n переходам верхнего низкоомного затвора П1 и нижнего высокоомного перехода П2.

При отсутствии напряжения на электродах транзистора образуются запирающие слои одинаковой толщины по всей поверхности канала. В ПТ существует между истоком и стоком канал n- типа. Толщины обедненных слоев p-n перехода имеют минимальные величины, определяемые контактной разностью потенциалов между областями n и p- типов проводимости.

При приложении напряжения к стоку и при напряжении на затворе по каналу протечет ток, созданный основными носителями зарядов (дырками). Ток стока растет пропорционально напряжению. Увеличение напряжения ведет к увеличению потенциалов между каналом и затвором. А это приводит к увеличению толщины ЗС p-n переходов.

Т.к. канал имеет распределение сопротивлений, то обратный потенциал у стока будет больше, чем у истока, и поэтому толщины ЗС будут max у стока, а min у истока. При некотором обедненные слои смыкаются вблизи стока и наступает момент, называемый перекрытием канала соответствующий напряжению в истоке - напряжение насыщения .

Дальнейшее увеличение не приводит к росту . При этом увеличивается лишь напряженность поля в ЗС, и точка смыкания будет сдвигаться в сторону истока. При работе транзистора в режиме насыщения вблизи стока существует узкая проводящая область, в которой плотность тока и электрическое поле велики.

Явление переноса в этой области от точки смыкания ЗС до стока подобна инжекции носителей зарядов Э БТ в обедненную область обратно смещению коллекторного перехода. Запирающее напряжение увеличивает начальную толщину обедненных слоев, уменьшая исходную проводимость сечения канала, поэтому при соответственном действии напряжения затвора и истока перекрытие канала и насыщение наступает при различных напряжениях на стоке. Чем больше , тем меньше , при котором наступает перекрытие канала.

На семействе характеристик можно выделить:

· Линейная область, в которой изменения тока стока пропорционально изменениям

· Область насыщения, в которой ток стока слабо зависит

· Область пробоя, где ток стока резко возрастает при малом изменении

Проходные характеристики ПТ.

Это зависимость тока стока от .

ПТ, управляемый p-n переходом, работающий в режиме обеднения канала носителями зарядов при изменении напряжения от 0 до .

Проходные характеристики ПТ с управляющим р-n переходом хорошо анализируется выражением:

,

Где U_{зи отсечки} - U, при котором I_с=0,

n - теоретическое значение, равно 2

ПТ с изолированным затвором.

Это МОП и МДП - транзисторы. Бывают двух типов:

- с индуцированным каналом

- со встроенным каналом

Структура ПТ с изолированным затвором:

1- область истока

2- подложка

3- область стока

4- область канала

5- диэлектрик

6- металлизация затвора

7- металлизация тыльной стороны подложки

Канал может быть встроенным или индуцированным. Если он встроен, то ток может протекать между истоком и стоком при нулевом напряжении на затворе. Если он индуцированный, то ток между истоком и стоком может протекать, только если к затвору приложенное напряжение больше .

Подложка из чистого или слабо легированного Si. В ней диффузией создаются сильно легированные области противоположной полярности, которые будут являться областями истока и стока. Между ними создается слой диэлектрика на поверхности толщиной 0,15 - 0,3 мкм.

Для этой цели используются любые диэлектрики, обладающие необходимыми электрофизическими параметрами. Наибольшее применение нашли два типа диэлектриков SiO2 , нитрид - кремния. Сверху этот слой покрывают слоем металла, который является затвором.

При приложении напряжения к структуре металл - диэлектрик - полупроводник из-за большой разности сопротивления между диэлектриком и полупроводником электрическое поле будет существовать только в диэлектрике. Поэтому в полупроводнике вблизи границы раздела образуется поверхностный заряд, величина которого зависит от величины и полярности напряжения.

Принцип работы ПТ с индуцированным каналом.

При соединении полупроводника n- типа с диэлектриком под затвором для образования канала с дырочной проводимостью необходимо приложить к затвору « - » . Оно нужно:

· для компенсации положительного заряда сосредоточенного на границе раздела диэлектрик - полупроводник

· для оттеснения основных носителей зарядов (электронов) из приповерхностной зоны.

Увеличение « - » приводит к тому, что концентрация ионов примесей будет недостаточной для компенсации электрического поля в диэлектрике. В результате происходит вытеснение собственных электронов и происходит инверсия типов проводимости в поверхностном слое , т.е. образуется p - типа. Образовавшийся канал между стоком и истоком при приложении соответствующего напряжения будет пропускать ток канала работающего в режиме обогащения

Напряжение на затворе, при котором проявляется проводимость канала, называется пороговым. Без подачи напряжения на затвор сопротивление сток-исток в таком транзисторе очень велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При через образованный слой, потечет ток, если приложить напряжение между стоком и истоком.

Как и у ПТ, управляемого p-n переходом, увеличение напряжения сток-исток приводит сначала к линейному росту тока, а затем перекрытию канала у истока и насыщению тока канала. При дальнейшем увеличении точка перекрытия канала будет смещена к истоку. Ток стока при этом будет постоянным. Механизм переноса носителей через область такой же как и у БТ, включенного по схеме с ОБ из коллекторного перехода.

ПТ со встроенным каналом.

В нем при =0 существует проводимость поверхности канала. При подключении на затвор положительного напряжения электрическое поле в диэлектрике будет подтягивать к поверхности полупроводника p-типа электроны, которого увеличивают первоначальную проводимость канала.

При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле будет уменьшать проводимость канала.

Приборы с отрицательным сопротивлением

Эти приборы делятся на приборы с отрицательным сопротивлением и проводимостью. Особенностью их является то, что у них существует участок на ВАХ, где наблюдается падение тока при увеличении напряжения или падение напряжения при росте тока.

Приборы с отрицательным сопротивлением: приборы, управляемые напряжением. Для них ток является однозначной функцией напряжения, а зависимость напряжения от тока - неоднозначной характеристикой. Для них характерна зависимость типа а), т.е. характеристика n-типа. Пример: туннельный диод.

Приборы с отрицательной проводимостью управляются током. Для них напряжение однозначно определяется величиной тока, обратная функция неоднозначна. ВАХ типа б), в) или S-образного сопротивления.

Туннельный диод

Это п/п диоды, p-n-переход в которых образован двумя вырожденными п/п - это п/п, концентрация носителей в которых превышает 10¹⁹ ат/см³.

p-n-переход, образованный такими п/п, имеет ряд особенностей:

Поскольку концентрация большая, то область ЗС имеет очень малую ширину;

Вследствие малой ширины ЗС (порядка 0,02 мкм) возникает новый механизм обмена зарядами в p-n-переходе - эффект туннелирования. При приближении к ЗС частицы испытывают отражение, но часть частиц оказывается за барьером (высота барьера достаточно велика);

Атомы примесей в вырожденных п/п, поскольку их очень много, начинают взаимодействовать друг с другом. Следовательно, их энергетическое состояние нельзя характеризовать одним энергетическим уровнем. Энергетические уровни примесных атомов при высокой их концентрации расщепляются в энергетическую зону примесей. Эта зона примесей в случае донорной примеси перекрывается с зоной проводимости, образуя единую энергетическую зону, в случае акцепторной примеси - с валентной зоной. В первом случае уровень Ферми оказывается расположенным выше дна ЗП, в п/п р-типа - ниже потолка ВЗ.



ВЗ

При образовании p-n-перехода наблюдается картина, при которой потолок ВЗ в п/п р-типа лежит выше дна ЗП W_с в п/п n-типа. В пределах энергетического состояния любому состоянию в ЗП n-п/п соответствует такое же энергетическое состояние в ВЗ p_п/п и вероятность обнаружения частиц, перешедших из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот за счёт туннельного перехода (т.е без получения энергии, необходимой для преодоления высоты потенциального барьера) будет отлична от 0. В пределах с обеих сторон имеются как занятые электронами, так и не занятые энергетические уровни.

Токи в ТД

В состоянии равновесия при отсутствии внешнего напряжения суммарный ток через p-n-переход равен 0. Диффузионное движение частиц, как и в обычном p-n-переходе, компенсируется встречным дрейфовым движением за счёт наличия E_к. Но в отличие от обычного p-n-перехода добавляется равенство 0 туннельного тока, т.е. условие равновесия будет равно:

Туннельное движение электронов, имея в виду, что полученные результаты могут быть применены к движению дырок.

При температуре, равной 0 К, электроны могут занимать уровни до уровня Ферми. При температуре, большей нуля, электроны из ВЗ начинают переходить в ЗП. В этом случае часть энергетических состояний в пределах в п/п обоих типов будет занята, а часть свободна. Эти энергетические уровни расположены примерно одинаково и в ВЗ п/п p-типа и в ЗП п/п n-типа. При отсутствии напряжения это приводит к тому, что вероятность туннельного перехода из п/п n-типа в п/п p-типа и наоборот примерно одинаков. При смещении перехода в обратном направлении интервал перекрытия зон увеличивается на величину eU_обр. Это приводит к тому, что электроны, занимающие более глубокие уровни в ВЗ п/п p-типа окажутся напротив свободных уровней в п/п n-типа. Следовательно, вероятность туннельного перехода электронов из п/п p-типа в п/п n-типа резко возрастает и появляется ток, обусловленный туннельным переходом, быстро растущий при увеличении U_обр.

При приложении прямого напряжения величина будет уменьшаться. При уменьшении перекрытия окажется, что свободные уровни ВЗ в п/п p-типа окажутся напротив занятых электронами уровней в п/п n-типа. Вначале это перекрытие неполное, но с увеличением U_пр оно вначале будет возрастать (участок 0А). При этом свободные уровни в п/п p-типа совпадают с занятыми электронами уровнями в п/п n-типа и I_тун=I_max (А на ВАХ).

При дальнейшем увеличении U_пр перекрытие уменьшается и в точке В достигает 0. Ток минимален.

При данном напряжении p-n-перехода образуется п/п, соответствующий обычному p-n-переходу. Т.е. после точки В ток растёт, как и в обычном диоде.

Тиристоры

Это приборы, образованные 4х-слойными структурами p-n-p-n.

Могут быть 3 основных типов:

Динисторы (2 вывода)

Тринисторы (3 вывода)

Симисторы (проводят ток, как при прямом включении, так и при обратном). Тиристорная структура имеет 3 перехода, 2 крайних области называются эмиттерами, а 2 средних - базами.

Динисторы.

Переход П2 обычно считается коллекторным переходом. Динисторы можно рассматривать как два включённых навстречу друг другу транзистора.

Предположим, что к динистору подключено внешнее напряжение. В этом случае переходы П1 и П3 находятся под прямым смещением, а коллекторный переход П2 - под обратным. Почти всё внешнее напряжение падает на коллекторном переходе П2. Через прибор протекает обратный ток I_к0 обратно смещённого перехода П2. Величина тока очень мало растёт с увеличением напряжения. В этом режиме мало меняется концентрация основных носителей в Б с увеличением напряжения. Приток дырок в Б n1 эмиттера p1 будет примерно равен притоку дырок через К-переход П2 в область p2. Избыточные дырки из области p2 через переход П3 уходят в область n2 и частично компенсируются встречным потоком электронов из этой области.

Условия движения электронов из области n2 аналогично движению дырок.

При увеличении внешнего напряжения до U_вкл такой равновесный процесс нарушается из-за того, что U_обр на переходе П2 достигает величины, при которой начинает развиваться ионизация. Электроны движутся из области p2 в область n1 и дырки перемещаются в обратном направлении, под влиянием Э.П. приобретая энергию, достаточную для ударного разрушения валентных связей.

В области перехода П2 будут образовываться новые пары подвижных носителей заряда. Вновь образованные электроны полем перехода П2 будут выбрасываться в область n1, а дырки - в область p2. В результате концентрация основных носителей в этих областях будет увеличиваться. Дырки из области p2, подходя к правому Э-переходу, нейтрализуют там неподвижный отрицательный заряд ионов. Это приводит к снижению потенциального барьера. Поток электронов из области n2 к p2 увеличивается, и будет расти плотность потока электронов через переход П2, а вместе с ним и плотность потока вновь образованных зарядов.

Подобные процессы наблюдаются и в переходе П1, потенциальный барьер которого снижается за счёт увеличения числа электронов в области n1.

Данные процессы развиваются лавинообразно, и ток через прибор резко увеличивается.



Дальнейший рост тока сопровождается падением напряжения на переходе П3 из-за увеличения в его области числа подвижных носителей (участки 3 и 4). Участок 3 характеризуется отрицательным сопротивлением.

В качестве параметров динистора используются токи и напряжения, соответствующие характерным точкам ВАХ и временным интервалам переходов из одного режима в другой:

Ток I₀ (для определения U)

U_вкл (дифференциальное сопротивление динистора равно 0), 10-200 В

I_вкл - 1 .. 5 мА

I_выкл - 15 мА

U_выкл (близко к 0)

время включения - 0,1 .. 0,5 мкс

время выключения - 5 .. 10 мкс

Тринисторы

Структура тринистора подобна структуре динистора, только вводится управляющий электрод, который подключается к базе n1.



В данной структуре к Б n1 подключается источник внешнего напряжения, через который протекает ток I_Б, он смещает переход П1 в прямом направлении.

В тринисторе термин «эмиттер» сохраняется за областью p1, область n2 называется коллектором.

При суммировании тока I_Б с током через всю структуру происходит процесс, подобный увеличению коэффициента усиления по току в Б n1. Из-за этого лавинообразный процесс при I_Б>0 наступает при меньшем напряжении на такой структуре. С помощью тока I_Б можно менять величину U_вкл.

Кривая при I_Б =0 повторяет характеристику динистора. С увеличением I_Б U_вкл уменьшается, но увеличивается ток I_вкл. Участок отрицательного сопротивления уменьшается, также I_выкл уменьшается.

При некотором I_Б участок с отрицательным сопротивлением исчезает вообще. В этом случае ВАХ называется спрямлённой характеристикой.

На начальном участке характеристики тринистора представляют собой выходные характеристики БТ, включённого по схеме с ОЭ. К параметрам БТ добавляются U_вкл и I_вкл.

Схема тринисторного однополупериодного выпрямителя

В момент подачи управляющего импульса в цепь управления амплитудой тока I_y=E_y / (R_i +R), где R_i - внутреннее сопротивление управляющего генератора, R - входное сопротивление тринистора, через тринистор начинает протекать ток синусоидальной формы. В момент времени t=T/2 , когда ток в нагрузке меньше I_вкл, тринистор запирается. Напряжение прикладывается к тринистору, вызывает скачок напряжения. При приложении U_обр тринистор, даже при подаче управляющего импульса, не открывается. Момент подачи управляющего импульса можно изменить и регулировать таким образом величину U_вых выпрямителя.

Симисторы

Проводит ток в обоих направлениях. Этот трёхэлектродный прибор может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот при любой полярности напряжения на основном электроде. При этом переключение из закрытого в открытое состояние осуществляется сигналом управления, подающимся на управляющий электрод, а выключение - изменением полярности или отключением напряжения на основном электроде.

Для симистора нет понятия анод/катод, поэтому электроды называются: СЭ - силовой электрод;

СЭУ - силовой электрод со стороны управляющего входа.

Полупроводниковая структура симистора представляет собой пластину, в которой в процессе изготовления прибора создаются чередующиеся слои основных электродов. Полупроводниковая структура содержит 5 слоёв p- и n- типов. Исходный материал- слой n2, остальные слои получаются в процессе изготовления прибора.

Верхний слой n-типа состоит из двух участков: n1 под СЭУ и слой n0 под УЭ. Часть слоя p1 находится между слоями n1 и n2, а часть - выходит под контакт СЭУ. Слой n3 выходит под контакт СЭ. Слой p2 частично находится между слоями n2 и n3, а частично выходит под контакт СЭ.

Полупроводниковая структура имеет 5 p-n-переходов.

Переходы П0, П1, П4 не обладают хорошими блокирующими характеристиками, а П2 и П3 обладают хорошими характеристиками.

Приложим к СЭУ отрицательное напряжение относительно СЭ. В этом случае на правой половине структуры переходы П1 и П3 будут смещаться в прямом направлении, а переходы П2 и П4 - в обратном.

Левая часть структуры представляет для тока очень большое сопротивление, т.к. там 2 p-n-перехода смещаются в обратном направлении.

Правая часть структуры может быть открытой и проводить ток, т.к. 2 перехода смещаются в прямом направлении, а 1 переход - в обратном.

Если теперь приложить положительное напряжение относительно СЭУ на управляющий электрод, то p-n-переход П1 включится в прямом направлении и переведёт правую часть в проводящее состояние.

Принцип действия, статические и динамические характеристики правой половины будут соответствовать аналогичным характеристикам тринистора.

Приложим к СЭУ «+», к СЭ - «-». Тогда переходы П2 и П4 включатся в прямом направлении, а П1 и П3 - в обратном. В этом случае правую часть структуры можно рассматривать как структуру, которая не может быть включена. Работу прибора будет определять левая часть структуры, в которой 2 перехода П2 и П4 включаются в прямом направлении, а П3 - в обратном.

Полярность на УЭ может быть такая же, как и в предыдущем случае («+» - УЭ, «-» - СЭУ): П1 смещается в прямом направлении. Однако более эффективно включение будет происходить, если подавать на УЭ «-» относительно СЭУ: в прямом направлении смещается переход П0, которое будет определять время включения симистора.

...